购买
下载掌阅APP,畅读海量书库
立即打开
畅读海量书库
扫码下载掌阅APP

1.1 功率因数(PF)的历史渊源

功率因数(Power Factor,PF)一词,是电源工程师非常熟悉的一个名词,基本上从接触电源伊始,就会接触到PF这个名词。与之相对应的是,PF的概念及意义,却是众多工程师疑惑的问题,不管新手还是经验丰富的工程师,在此概念上都或多或少存在过困惑。本书希望正本清源,理清PF这一概念,同时希望纠正网络上流传的众多资料中错误的概念及表述。

本书的读者至少在如下一些描述中遇到过令他们头痛的问题,很多情况是在面试中被问到,它们看起来是那么理所当然,但实际作答时却无从下手:

问题1: PF会大于1吗?

问题2: PF有负数吗?

问题3: PF与电路负载有关系吗?

问题4: 直流电也存在PF的概念吗?

问题5: PF是表征用电设备还是表征输入电网的特性?

问题6: PF是政府与产品生产者/使用者之间的博弈吗?即PF代表谁的立场?或者说为什么对PF有要求?

问题7: PF与电源电路拓扑结构有关系吗?

问题8: PF与电源效率有关系吗?PF高了,效率会提高或降低吗?

问题9: PF和总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)成反比吗(这一点后面有一节会专门讨论)?

问题10: 为什么信息技术类设备在75W以上会要求“PF”,而目前照明类产品却一般在25W以上要求“PF”(注意:此处的PF都加了引号)?

问题11: PF和功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)的关联是怎样的(众多资料混淆了二者的概念)?

面对上述这些表面看似简单的问题,我们还是一步步从源头出发,拿起我们曾经忘记过的课本(不需要很复杂的数学理论分析,也不需要很高深的电路分析理论,只需要最简单的电路学或是电工学基础即可),有些电源行业从业者并不一定系统地学过电路分析等专业课程,但是这不妨碍我们的理解,在这里我们试图以一种较为简洁的方式来说明PF这一参数的意义和价值,为后面电源电路设计提供一定的理论基础。注意,本书不刻意去强调理论的重要性,因为本书的宗旨即是一本工程化实用设计指南,如果过多着墨于理论分析,那有悖于本书出版的目的,因为大量的公式和理论分析会让80%以上的工程技术人员望而却步,从而造成的结果是,一本书总是翻在前几页,而永远不会看完。在海量知识包围的今天,工程技术人员受到“快餐式”研发流程的影响,让他们花大量的时间在阅读理论分析上有点不太现实,所以在本书里,我们只讲最关键最重要的公式,也会把公式讲透。

从图1—1中可以看到,功率因数包括两个部分,一个称之为位移因数(这里用cos φ 表示),一个称之为畸变因数。用数学公式表达即为

注意,在抛出所有的问题之前,读者需要知道的是,PF的符号是希腊字母 λ ,而不是cos φ

图1—1 功率因数的两个部分

诚如之前所述,众多读者对公式不太敏感,故我们仍以图形化来表示。

为了便于理解,现假设对于从发电装置里出来的电压信号,我们默认将其作为基准,且其波形是标准正弦曲线。

在这里,我们先定义如下:

位移因数cos φ 被定义为固定在某一参考点下,电压与电流之间的相位差,即电流与电压不同步,这是从时序上去看,从图1—2可知,它是有正负向之分的。

图1—2 功率因数两个部分的图形化表示

畸变因数被定义为电流与电压的波形形状不同,因为如前面设定,电压为完美的正弦曲线,但电流由于接在电网上的负载不同,导致汲取的电流波形形状与电压波形不同,这是从波形角度来看。

基于式(1-1)我们可以看到,位移因数,其值范围为-1~1。而畸变因数永远≤1,所以我们可以知道PF的数值范围为-1~1,不会超过1,这即回答了问题1。同时我们一般是从电网端去观察,所以PF同时也反映出设备接入电网后,电网受到的影响程度,所以PF是同时反映出用电设备和电网端的性能。

由于接入电网的负载有各种各样不同的形态,PF会受到负载的不同影响进而不同,一般有如下三种情况:

1)纯阻性负载,即负载对位移没有影响,对畸变也不构成影响。典型负载如白炽灯泡、加热器等;

2)纯无功元件(电容或是电感)负载,这只对位移产生影响,对畸变不构成影响。此类典型负载有电机类负载;

3)非线性负载,1)与2)的组合,这样即为我们通常见到的情况,这类负载不仅影响了位移,还导致了畸变的产生。典型负载如各类电子产品,如节能灯、电源类产品等。

仍旧以图形化来表征上述三类情况(见图1—3)。

图1—3 不同负载对PF的影响

不同负载下对应的PF结果如图1—4所示。

图1—4 不同负载对PF的影响(图形化表示)

当读者看到这里的时候,应该可以回答上面提出的多个问题的其中几个了。

问题1: PF会大于1吗?

不会大于1,从数值维度上看,PF介于0到1之间,最大为1,不会超过1,测量出超过1的情况,一般是测试仪器出现了问题或测试方法有误,这里要说明的是,许多低端的PF测量仪器,由于受测试准确度和带宽的限制,测出来的PF出现超过1的情况,这对于输入电流为非标准正弦时,测试结果错误更为明显,所以要尽量选择高带宽(尽量涵盖更多次谐波检测的)仪器来进行PF(以及THD)测量。

问题2: PF有负数吗?

PF是可以存在负数的,因为从公式中可以看到,位移这一项,电流如果超前于电压,即为负数,而畸变这一项永远不会为负,这里必须说明下,从本书涉及的产品的角度来看,只考虑PF的绝对值,即我们常说的PF为0或正值,处于0到1之间。

问题3: PF与电路负载有关系吗?

有,从图1—4中可以清楚地看到不同的实际应用负载会影响到PF。

问题4: 直流电也存在PF的概念吗?

不存在,因为PF的定义是在交流供电系统中,而且是以正弦信号作为参考。

再回到更复杂的两个问题:

问题5: PF是表征用电设备的特性还是表征输入电网的?

从定义来看,PF是电源(或是其他负载)与电网共同依赖存在的一个参数,因为参考量即为电网电压,而从电网汲取的电流(不管大小、相位还是形状)却与负载相关。只是我们现在众多场合,以及众多教科书中将其表达简化了,默认电网特性固定,而负载总是变化不可预知的,所以PF更多时候是用来表征电源(负载)本身。

问题6: PF是供电方/政府与产品生产/使用者之间的博弈吗?即PF代表谁的立场?或者说为什么对PF有要求?

这是一个很有意思的问题,当各种标准法规条例出来后,政府(或者说是供电方)对消费者使用的产品PF值提出了要求,后面会详细分析当今全球主流市场/国家对PF的要求。为什么会出现这样的情况,这还仍然需要我们从PF的定义源头上去看。 uhKT2gcifY0T1LVJMpREDnLVe0LV+YbZtTA/G92647zWkLIb2+CngUE8Ecr6PGL7

点击中间区域
呼出菜单
上一章
目录
下一章
×